摘要：分析了Gilbert結(jié)構(gòu)有源雙平衡" title="平衡">平衡混頻器的工作機(jī)理，以及混頻器的轉(zhuǎn)換增益,、線性度與跨導(dǎo),、CMOS" title="CMOS">CMOS溝道尺寸等相關(guān)電路參數(shù)間的關(guān)系，并據(jù)此使用ADS" title="ADS">ADS軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化,。在采用TSMC 0．25μm CMOS工藝,，射頻信號(hào)為2．5GHz，本振信號(hào)為2．25GHz,、中頻信號(hào)為250MHz時(shí),，2．5V工作電壓的情況下仿真得到的轉(zhuǎn)換增益為10．975dB，單邊帶噪聲系數(shù)為9．09dB,，1dB壓縮點(diǎn)為1．2dBm,，輸出三階交調(diào)截止點(diǎn)為11．354dBm，功耗為20mW,。
關(guān)鍵字：雙平衡混頻器,；Gilbert結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)換增益,；線性度,；跨導(dǎo)

    CMOS技術(shù)本身具有低價(jià)格、低功耗,、易于集成的特點(diǎn),，使得射頻集成電路向著高集成度、高性能和低功耗低成本的的趨勢(shì)發(fā)展,，加之半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步,，基于CMOS技術(shù)的器件的工作頻率已能達(dá)到20GHz，并且完全可以與收發(fā)器后端電路實(shí)現(xiàn)單片集成,，極大推動(dòng)了無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展。
    混頻器利用器件的非線性特性來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)載波頻率的變化,，產(chǎn)生輸入頻率的和頻和差頻分量,。作為無(wú)線通信系統(tǒng)射頻前端的核心部分之一,，其性能的好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。目前已有種類繁多的全集成CMOS混頻器,，本文采用TSMC的0．25μm CMOS管模型設(shè)計(jì)了一種有源Gilbert結(jié)構(gòu)雙平衡混頻器,。根據(jù)在2．5GHz的射頻輸入下得到的仿真結(jié)果，該設(shè)計(jì)完全可以滿足802．11b／g／n與Bluetooth等無(wú)線通信的要求,。

1 CMOS雙平衡混頻器的分析及設(shè)計(jì)
    Gilbert單元結(jié)構(gòu)如圖1所示,。這種結(jié)構(gòu)主要由開(kāi)關(guān)管(M1、M2,、M3,、M4)和跨導(dǎo)晶體管(M5、m6)組成,。本振信號(hào)VLO從開(kāi)關(guān)管的柵極引入,，射頻信號(hào)VRF加在具有固定偏置的跨導(dǎo)級(jí)差分對(duì)M5與M6的柵極(M5和M6工作在飽和區(qū))，將VRF信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào),；M1～M4工作在近飽和狀態(tài),，是兩對(duì)開(kāi)關(guān)，由本振大信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)兩對(duì)管交替開(kāi)關(guān),，達(dá)到混頻的目的,；R1是電阻負(fù)載，通過(guò)負(fù)載電阻將混頻后的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)VIF輸出,。

    假設(shè)VRF的輸入信號(hào)為一正弦信號(hào)
   
   
    跨導(dǎo)晶體管M5和M6的跨導(dǎo)為GM,，并假定開(kāi)關(guān)對(duì)管M1～M4在VLO的驅(qū)動(dòng)下，處于理想開(kāi)關(guān)狀態(tài),，M1和M4,、M2和M3兩兩組合通斷，由于該混頻電路的對(duì)稱性,，不再分別進(jìn)行討論,。當(dāng)方波在正半周期，M1和M4導(dǎo)通時(shí),，跨導(dǎo)晶體管M5,、M6的漏電流ID輸出為

    根據(jù)式(4)的中頻輸出可以看出，輸出信號(hào)既不包含輸入射頻信號(hào)頻率分量,，也不包含本振信號(hào)頻率分量,，因此理想雙平衡混頻器能夠有效抑制RF-IF和LO-IF信號(hào)饋通，因此具有極好的端口隔離度,。另外,，差分的射頻輸入信號(hào)也可以抑制射頻信號(hào)中的共模噪聲。但是需要補(bǔ)充說(shuō)明一點(diǎn)，要使M1～M4成為理想的開(kāi)關(guān),，輸入本振信號(hào)應(yīng)該是理想的方波,，在低電平時(shí)MOS能夠完全關(guān)斷，源漏電阻Roff為無(wú)窮大,；在高電平時(shí)能將MOS完全打開(kāi),，導(dǎo)通電阻Ron近似為零，這種射頻方波信號(hào)在電路中很難實(shí)現(xiàn),。實(shí)際電路中驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的一般是幅度較大的正弦信號(hào)來(lái)替代,。
    另外，電路中CMOS管溝道尺寸及相關(guān)參數(shù)有如下公式
   
    其中W／L為CMOS管溝道尺寸之比,，μN為溝道載流子的遷移率,，COX為單位面積的柵級(jí)電容，ID為漏電流,，VGS為柵源間的電壓,，VTH為MOS管的閾值電壓。
    由式(5)可知,，在開(kāi)關(guān)近似理想的狀態(tài)下,，整個(gè)混頻器的增益只與跨導(dǎo)GM和負(fù)載電阻RL有關(guān)，同時(shí),，增益的線性度是由跨導(dǎo)電路的線性度決定的,。但是，由于CMOS器件的跨導(dǎo)較小,，故跨導(dǎo)大小的選取要受到實(shí)際電路模型的限制,；而負(fù)載電阻會(huì)給整個(gè)電路引入熱噪聲，使噪聲系數(shù)的惡化,，且過(guò)大的負(fù)載電阻也會(huì)使整個(gè)混頻器的工作電壓和功耗上升,，所以RL不宜過(guò)大；而因此需通過(guò)選取適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換增益來(lái)對(duì)RL和GM進(jìn)行選取,。開(kāi)關(guān)管M1～M4的溝道尺寸通過(guò)使柵極過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓VGS-VTH的值在0．1～0．3V之間時(shí)根據(jù)式(7)確定,，而M5、M6的尺寸可通過(guò)GM和適當(dāng)?shù)穆╇娏鱅d,，再根據(jù)式(6)來(lái)求得,。故混頻器的設(shè)計(jì)中需要將轉(zhuǎn)換增益、線性度,、噪聲系數(shù),、功耗等性能指標(biāo)之間進(jìn)行折中，來(lái)實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)的最佳性能,。
    因此,，為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),，我們需先對(duì)若干參數(shù)的取值范圍進(jìn)行限定，再根據(jù)其余參數(shù)間的互相關(guān)系對(duì)它們的取值范圍進(jìn)行選取,，最后通過(guò)仿真結(jié)果的比對(duì)來(lái)選定一組相對(duì)最優(yōu)參數(shù),。
    通過(guò)參考相關(guān)設(shè)計(jì)，先限定幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：轉(zhuǎn)換增益需大于10dB,，噪聲系數(shù)小于10，1dB壓縮點(diǎn)大于0dBm,。通過(guò)利用ADS軟件仿真時(shí)的調(diào)諧功能(Tuning),。在這里再對(duì)其余參數(shù)的值進(jìn)行分段調(diào)整。通過(guò)多次優(yōu)化,，最后選取M1～M4的溝道長(zhǎng),、寬為0．6μm、170μm,，M5,、M6的溝道長(zhǎng)、寬為0．6m,、277μm,，電流源取6mA，負(fù)載電阻為900Ω,。設(shè)計(jì)時(shí)采用兩共柵的MOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流源,，并在跨導(dǎo)源級(jí)加入反饋電阻Rf，這樣做可以使跨導(dǎo)變?yōu)樵瓉?lái)的1／(1+GMRf)倍,。恒流源及反饋電阻部分電路如圖2所示,。

2 仿真結(jié)果及分析
    本次設(shè)計(jì)的混頻器的射頻信號(hào)輸入頻率范圍在2．4～2．5GHz。仿真時(shí)選取2．5GHz,、-30dBm的射頻輸入信號(hào),，2．25GHz、5dBm的本振信號(hào)作為示例,，CMOS管采用基于TSMC(臺(tái)積電)的0．25μm工藝的Bsim3_Model的V3．1模型,，使用Agilent公司的ADS2008進(jìn)行仿真，以下為仿真結(jié)果及分析,。

    圖3中m1所標(biāo)為中頻輸出譜線,，根據(jù)輸入射頻輸入信號(hào)為-30dBm可以算出混頻器的轉(zhuǎn)換增益為10．975dB。m2是同為二階產(chǎn)物的和頻輸出分量,，幅度是相當(dāng)高的,，不過(guò)要去除也是較容易的，只需在輸出端接一低通或帶通濾波器將其濾除即可,。

    表1所列為混頻器單邊帶與雙邊帶噪聲系數(shù),。當(dāng)混頻器輸出有用信號(hào)只存在于本振信號(hào)的一側(cè)，用單邊帶(SSB)噪聲系數(shù)來(lái)表征；與之相對(duì)應(yīng)的,，若接收信號(hào)是均勻輻射譜,，有用信號(hào)存在于兩個(gè)邊帶上，則需用雙邊帶(DSB)噪聲系數(shù)表示,，在天文或遙感使用較多,。由于鏡像噪聲的影響，單邊帶噪聲系數(shù)一般要高出3dB,，故為了參數(shù)美觀,，大部分混頻器在不做特殊說(shuō)明的情況下僅將雙邊帶噪聲系數(shù)標(biāo)示出來(lái)，而實(shí)際應(yīng)用中大部分是需要單邊帶噪聲系數(shù)作為重要參考的,，這是大家需要注意的,。

    從圖4可以看出，正如前文所描述,，由于用正弦信號(hào)替代理想方波信號(hào),，必須在本振功率高到一定程度，開(kāi)關(guān)管工作于近似理想開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí),，混頻器才能保持較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換增益,。由圖可知當(dāng)本振信號(hào)大于-3dBm時(shí)，轉(zhuǎn)換增益穩(wěn)定保持在10dB以上,。
    圖5所式是實(shí)際中頻輸出功率與理想輸出功率的差異,。圖中直線為線性增益的延長(zhǎng)線，曲線為混頻器實(shí)際增益的輸出曲線,。由圖中標(biāo)示可知,，當(dāng)射頻輸入信號(hào)RF達(dá)到-8dBm時(shí)，實(shí)際增益出現(xiàn)壓縮,，此時(shí)中頻輸出功率1．2dBm左右,。

    對(duì)于出現(xiàn)兩個(gè)頻率很相近的射頻信號(hào)RF1、RF2同時(shí)進(jìn)入混頻器和本振LO進(jìn)行混頻,。由于混頻器為非線性器件,，輸出頻譜中會(huì)包含多階產(chǎn)物，其中3階產(chǎn)物的頻率：ω3：ω3=ωLO-(2ωRF1-ωRF2)和ω3=ωLO-(2ωRF2-ωRF1)會(huì)出現(xiàn)輸出中頻附近,，造成很大的干擾,，尤其出現(xiàn)射頻多路通信系統(tǒng)中將會(huì)是相當(dāng)嚴(yán)重的問(wèn)題。故仿真時(shí)用2．5GHz+50kHz的雙音功率源,，圖6中m2標(biāo)示的為一根三階分量的譜線,，經(jīng)仿真軟件計(jì)算得出的結(jié)果見(jiàn)表2。

    根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,，一般情況下三階調(diào)制截止點(diǎn)比1dB壓縮點(diǎn)高10dB左右,，據(jù)此可驗(yàn)證仿真結(jié)果是否合理,。

3 結(jié)束語(yǔ)
    本文采用TSMC 0．25μm工藝CMOS設(shè)計(jì)了一種具有Gilbert結(jié)構(gòu)的有源雙平衡混頻器，在不增加電路復(fù)雜性的前提下,，通過(guò)反饋電阻的引入及借助ADS軟件對(duì)元件及電路參數(shù)的適當(dāng)選取,，使該混頻器的增益及線性度較文獻(xiàn)、均有明顯的改進(jìn),，并可滿足當(dāng)前大部分無(wú)線通信的要求,。